Una nueva investigación arroja luz sobre cómo diferentes especies de bacterias pueden construir nanoarpones complejos con diferentes bloques de construcción de proteínas. Las bacterias usan estos arpones llamados sistemas de secreción de Tipo VI para inyectar toxinas en las células cercanas. Investigadores de la Universidad de Sheffield encontraron que, si bien las proteínas variaban, había partes estructuralmente similares que interactuaban con la maquinaria.

Las bacterias producen nanoarpones complejos en su superficie celular. Una de sus funciones es arponear e inyectar toxinas en las células cercanas. La producción de un arma tan compleja requiere muchos componentes móviles diferentes que los científicos aún están tratando de comprender. Investigadores de la Universidad de Sheffield han estado utilizando algunas de las líneas de cristalografía de Diamond para comprender una pieza particularmente enigmática de este pequeño rompecabezas. El equipo dirigido por David Rice y Mark Thomas trabajó en un componente proteico del arpón llamado TssA que ya sabían que era una pieza integral de la maquinaria.

Sin embargo, a diferencia de los otros componentes del arpón, existen distintas variantes de la proteína TssA que contienen secuencias de aminoácidos radicalmente diferentes en un extremo de la proteína. El equipo demostró que las estructuras de la región variable de dos subunidades TssA diferentes no estaban relacionadas en absoluto y podían ensamblarse en complejos de múltiples subunidades claramente diferentes en términos de su tamaño y geometría. Esto planteó la pregunta de cómo diferentes bacterias podrían usar esta proteína con diferentes estructuras para producir un arpón con la misma función en todas las especies. Descubrieron que a pesar de estas diferencias, había una región conservada muy específica en el otro extremo de la proteína. Ellos plantean la hipótesis de que la región conservada es la parte que hace el trabajo y ayuda al arpón a funcionar, mientras que la región variable actúa como un andamio. Usaron I02, I03 e I24 en su estudio y planean hacer un trabajo de seguimiento utilizando cristalografía de rayos X y Cryo-EM como los del centro eBIC en Diamond. La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza .

Nanoarpones bacterianos y la enigmática proteína TssA

La guerra biológica en bacterias es relativamente conocida. Un grupo de bacterias quiere anexarse ​​un recurso escaso para sí mismas, por lo que producen una toxina a la que son inmunes y matan a cualquier invasor potencial. Sin embargo, algunas bacterias adoptan un enfoque más dirigido. En lugar de arrojar toxinas al medio extracelular, montan arpones en miniatura en su superficie más externa y nadan inyectando toxinas directamente a los posibles agresores o competidores. Esto no es una exageración ni una metáfora, ahora mismo las bacterias están nadando literalmente arponándose unas a otras hasta morir. Estos arpones se denominan sistemas de secreción de tipo VI (T6SS) y desde su descubrimiento en 2005, investigadores de todo el mundo han estado tratando de comprender esta hazaña en miniatura de la ingeniería.

La estructura y la complejidad de estas máquinas moleculares presentan problemas perfectos para la biología estructural y muchos de los componentes proteicos de estas máquinas se han examinado mediante cristalografía de rayos X o microscopía crioelectrónica. La investigación ha demostrado que todo el sistema consta de un complejo de proteínas que forma una gran cámara que está anclada en la membrana. Contiene un tubo afilado que se expulsa tan pronto como una funda a su alrededor se contrae contra una placa base de proteína ubicada en la base de la cámara. disparando el arpón a un vecino desprevenido.

Si bien se entiende mucho sobre los T6SS, todavía hay algunos componentes críticos que siguen siendo enigmáticos, uno de ellos es la proteína TssA.

Muchos estudios han demostrado que esta proteína es una parte integral de la maquinaria T6SS, pero la investigación del ADN que codifica esta proteína muestra que entre especies, hay mucha variación. Normalmente, la variación no es deseable en proteínas que tienen una función esencial, si tienes una receta que funciona, no es una buena idea cambiar repentinamente una parte significativa. Esto generó algunas preguntas, ¿Qué hace la proteína TssA y qué efecto tienen estas variaciones en la función?

¿Cómo funciona la proteína TssA?

El equipo de investigación comenzó haciendo un análisis de la composición de aminoácidos de cuatro proteínas TssA diferentes. Descubrieron que si colocaban las secuencias de proteínas en una línea, el lado izquierdo o N-terminal siempre fue muy similar, y el extremo derecho o C-terminal varió mucho. El equipo se preguntó si estas diferencias evitarían que la proteína TssA interactúe como se esperaba con las otras proteínas necesarias para construir el arpón bacteriano. Realizaron pruebas de laboratorio y descubrieron que, de hecho, la proteína TssA interactuó con casi todos los demás componentes del arpón exactamente como se esperaba. Para entender por qué hicieron varios viajes a Diamond para usar el I02, Líneas de luz I03 e I24 para cristalografía macromolecular. Al analizar los datos de las diferentes proteínas TssA, descubrieron que tenían estructuras muy diferentes. Esto no solo afectó el aspecto de las proteínas individuales, sino también la forma en que interactuaban entre sí para formar complejos de múltiples subunidades.

El equipo de investigación ya conocía una estructura publicada de la proteína que se formaba en un anillo de 6 miembros cuando se ensamblaba. Sin embargo, sus nuevos estudios revelaron que diferentes versiones de la proteína TssA podrían formar anillos de 5 o 16 miembros. A pesar de las diferencias, todas las proteínas TssA tenían una porción estructuralmente conservada que siempre estaba ubicada en el exterior de los complejos de ensamblaje. Esto llevó al equipo de investigación a plantear la hipótesis de que era esta sección conservada la que estaba involucrada en el funcionamiento del arpón bacteriano. Razonaron que el resto de la proteína que contenía toda la variación actuaba como un andamio para sostener la unidad de trabajo del complejo proteico.

¿Qué depara el futuro?

Si bien la evidencia es convincente, aún queda mucho trabajo por hacer. El profesor David Rice dijo que "el futuro de este trabajo es obtener más ejemplos de diferentes especies bacterianas y combinar datos de cristalografía con técnicas Cryo-EM". En última instancia, al equipo le gustaría investigar la estructura y función de todo el complejo T6SS de diferentes bacterias para verificar si su hipótesis es correcta. Planean usar cristalografía de rayos X en líneas de luz como I03, I24, así como el VMXi de nueva construcción. También planean utilizar Cryo-EM, que también está disponible en el centro eBIC de Diamond. La combinación de estas técnicas complementarias de biología estructural permitirá a los investigadores construir una imagen más completa de cómo se construye y funciona esta compleja pieza de nanomáquina.

Las técnicas utilizadas también pueden informar a otros investigadores con preguntas similares. Los datos anteriores habían sugerido que la proteína TssA era un homólogo de una proteína de la placa base que se encuentra en el bacteriófago. Este estudio demostró que no solo no fue así, pero que las proteínas TssA eran muy diferentes entre sí e inicialmente habían llevado a los científicos a asignar erróneamente la función. Trabajo detallado sobre las secuencias de proteínas, Los estudios de interacción y los cuidadosos experimentos de biología estructural permitieron al equipo de investigación de Sheffield descubrir una imagen más precisa de esta importante arma microbiana.

La investigación también es de gran interés para los químicos e ingenieros que pueden inspirarse en las bacterias para producir sus propias nanomáquinas. Existen aplicaciones potenciales en el control de infecciones en las que los arpones podrían ser atacados por nuevos medicamentos para inhabilitar las bacterias que los emplean cuando causan infecciones. También hay aplicaciones en la administración de fármacos en las que los arpones se pueden utilizar para inyectar fármacos de péptidos y proteínas en células diana específicas. En un nivel más fundamental, El simple hecho de comprender cómo se puede construir una máquina en movimiento tan pequeña y compleja y cómo funciona podría algún día ayudarnos a construir la nuestra.